Toytomics Molekülbaukasten von Pfeiffer

Info zu Toytomics Molekülbaukasten

Dr. Ragen Pfeiffer entwickelte 2013 das Toytomics Atommodell.
Sein Toytomics-Modell baut auf den vorherigen Atommodellen auf und ist eine plastische Darstellung des Kugelwolkenmodells.

Aussagen von dem Toytomics Atommodell (Molekülbaukasten)

  • Jeder Stoff besteht aus kleinsten, unteilbaren Teilchen, den Atomen.
  • Alle Atome eines Elements haben das gleiche Volumen und die gleiche Masse.
    Die Atome unterschiedlicher Elemente unterscheiden sich in ihrem Volumen und in ihrer Masse.
     © Wikipedia, Demokrit, 28.01.2020, Angepasst von A.Spielhoff,  CC BY SA 3.0

  • Atome sind unzerstörbar. Sie können durch chemische Reaktionen weder vernichtet noch erzeugt werden.
  • Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe nur neu angeordnet und in bestimmten Anzahlverhältnissen miteinander verbunden.
     © Wikipedia, John Dalton, 27.01.2020, CC BY SA 3.0

  • Atome besitzen einen winzigen Atomkern, der aus positiven Protonen aufgebaut ist. Die Elektronen befinden sich in der Atomhülle.
  • Atome enthalten eine gleiche Anzahl von positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen, daher sind Atome nach außen hin elektrisch neutral.

Das Schalenmodell wird durch das Kugelwolkenmodell von Kimball ersetzt welches eine eine Vereinfachung das Orbitalmodells ist.

  • Die Atomhülle mit Elektronen besteht aus mehreren Schalen.
    Jede Schale fasst eine bestimmte maximale Anzahl von Elektronen:
    • K-Schale=2
    • L- Schale=8
    • M-Schale=18
    • etc. (maximale Elektronen = 2Schalen 2)

  • Die Elektronen befinden sich in „kugelförmigen Ladungswolken“ (kurz: Kugelwolken).
  • Jede Schale enthält eine bestimmte Anzahl von Kugelwolken, die jeweils maximal zwei Elektronen fassen.
    • K-Schale=1 Kugelwolke,
    • L- Schale=4 Kugelwolke,
    • M-Schale=9 etc. Kugelwolke etc.
    • (Anzahl Kugelwolken = Schalen 2)
  • In der äußersten Schale können sich nie mehr als 4 Kugelwolken (also maximal 8 Elektronen) befinden, wobei die Kugelwolken den größtmöglichen Abstand zueinander einnehmen.
  • Die Kugelwolken einer Schale werden zunächst alle einfach und dann doppelt besetzt.
  • Bindungen entstehen durch Überlappung einfach besetzter Kugelwolken.

Der Toytomics Molekülbaukasten ist eine plastische Umsetzung von dem Kugelwolkenmodell.

  • Die Elektronen befinden sich in Kugelwolken die als plastische Kugel oder Steckverbindung dargestellt werden
  • Jede Schale enthält eine bestimmte Anzahl von Kugelwolken, die jeweils maximal zwei Elektronen fassen.
    • K-Schale = 1 Kugelwolke,
    • L- Schale = 4 Kugelwolke,
    • M-Schale = 9 etc. Kugelwolke etc.
    • (Anzahl Kugelwolken = Schalen 2)
  • In der äußersten Schale können sich nie mehr als 4 Kugelwolken (also maximal 8 Elektronen) befinden, wobei die Kugelwolken den größtmöglichen Abstand zueinander einnehmen.
    • Kugelwolken in denen sich nur ein Elektron befindet werden als "Steckverbindung" dargestellt.
    • Kugelwolken die mit zwei Elektronen voll besetzt sind werden als "plastische Kugel" mit zwei innenliegenden Elektronen dargestellt
  • Die Kugelwolken einer Schale werden zunächst alle einfach (als Steckverbindung) und dann doppelt besetzt (als "plastische Kugel" dargestellt).
  • Bindungen entstehen durch zusammenstecken der Steckverbindung.

Möglichkeiten von Atomen:

  • Atome können Elektronen abgeben und werden dann zu elektrisch positiv geladenen Ionen (Kationen).
  • Atome können Elektronen aufnehmen und werden dann zu elektrisch negativ geladenen Ionen (Anionen).

Die Modellart

Das Modell ist differenziert und kann auch dreidimensionale Dinge erklären.

Darstellung eines Sauerstoff Atoms mit dem Toytomics Modell

A.Spielhoff, 7 Toytomics, CC BY 4.0

A.Spielhoff, 7-Toytomics,  CC BY SA 4.0

Genauigkeit des Modell am Beispiel eines Autos

L.Ebbersmeyer, Modell 5 (Kugelwolkenmodell), CC BY SA 4.0

L.Ebbersmeyer, Modell 5 (Kugelwolkenmodell),  CC BY SA 4.0

Erklärung zum Toytomics Molekülbaukasten

© A.Spielhoff, Toytomics Sauerstoff beschriftet , CC BY 4.0

Das Toytomics Atommodell

Der Toytomics Molekülbaukasten sind plastische Atommodelle, mit denen man chemische Vorgänge und Atome leicht erklären kann. Es stellt eine erlebbar Darstellung des Kugelwolkenmodels dar.

Erklärung des Atommodells

  1. Bei der Darstellung der Atom gilt:
    Protonen und Neutronen befinden sich im Atomkern.
    Die Anzahl der Elektronen in ungeladenen Atomen ist genau so groß wie die Anzahl der Protonen.
    Die (Aussen) Elektronen werden als „Stab,- und kugelförmigen Gebilde“ dargestellt.
    • Bereiche die nur mit einem Elektron besetzt sind werden als “Steckverbindung” dargestellt.
    • Kugelwolken die mit zwei Elektronen besetzt sind werden “plastische Kugel” dargestellt.
  2. Prinzip der geringsten Energie:
    Es werden erst die vier Steckverbindungen gebildet, bevor diese durch die Darstellung von zwei Elektronen  zu “plastische Kugel” werden.
  3. Oktettregel:
    In der äußersten Energiestufe können sich nie mehr als acht Elektronen (also maximal vier “plastische Kugel” befinden.
  4. geometrische Form:
    Die “Stab,- und kugelförmigen Gebilde“ nehmen den größtmöglichen Abstand zueinander ein.
  5. Vereinfachung:

    Es werden nur die Valezelektronen (Außenelektronen) dargestellt.
    Alle inneren Elektronen werden als eine zentraler Bereich zusammen mit dem Elementsymbol dargestellt.

© A.Spielhoff, Toytomics + Schalen (O) beschriftet, CC BY 4.0

© A.Spielhoff, Toytomics B, CC BY 4.0

© A.Spielhoff, Toytomics F, CC BY 4.0

Toytomics und das Periodensystem

  • Hauptgruppen = Anzahl der (Aussen) Elektronen in den „Stab,- und kugelförmigen Gebilde“
  • Elementsymbol = Symbol in der zentralen Kugelwolke

Ionen mit dem Toytomics Atommodell

In neutralen Atomen ist die Anzahl der Elektronen genau so groß wie die Anzahl der Protonen.
Wenn das Atom aber Elektronen aufnimmt oder abgibt wird es zu einem geladenen Ion (siehe auch Rosinenkuchenmodell).

 


© A.Spielhoff, Reaktion zum H+ Ion Toytomics, CC BY 4.0
Wenn das neutrale Wasserstoff Atom ein Elektronen ab gibt, wird es ein einfach positiv geladenes Wasserstoff Ion (H+) (Kation). Denn der Kern besitzt weiterhin ein Proton aber in der Hülle ist kein Elektronen mehr vorhanden. 
Die positive Ladung kann man bei dem Modell durch die orange Öffnung im Atomrumpf erkennen.
Die freigewordene negative Elektron kann man bei dem Modell durch eine “Steckverbindung” mit einem schwarzen Stecker erkennen. 

© A.Spielhoff, Reaktion zum Cl- Ion Toytomics, CC BY 4.0
Das neutrale Chlor Atom besitzt außen 7 negative Elektronen. Wenn Chlor ein Elektronen hinzubekommt dann hat es anschließend 8 negative Elektronen außen aber weiterhin den gleichen positiven Kern.
Das Chlor wird hierdurch zum einfach negativ geladenen Chlorid Ion (Cl 1-) (Anion).
Die negative Ladung kann man bei dem Modell durch den schwarzen Stecker in der “Steckverbindung” erkennen. 

Mit dem Toytomics-Modell lassen sich erklären:

  • die Entstehung von positiven und negativen Ionen.
  • (der Aufenthaltsort der Protonen (Kern) und der Elektronen (Hülle) in einem Atom.)
  • der Aufbau des Periodensystems.
  • die geometrische Anordnung der Elektronen.
  • die chemischen Reaktionen der Atome und die chemischen Bindungen.
  • die räumliche Struktur von Atomen und Molekülen.

Interaktiver Periodensystem Test mit Toytomics

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